基于格子玻爾茲曼法的熱壓罐流熱固耦合仿真

Fluid - thermal - structural coupled simulation of autocalve based on lattice boltzmann method

YIN Rongying*，YUN Qingwen，WU Jichao，LI Fei，MA Yinghui，MA Jichuan（AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Harbin 150060）

Abstract：Processimulation servesas a criticalsupporting technology foraerospace composite components manufacturing， particularlyforenergy-intensiveautocalve forming.Optimizing processesand improving the thermaluniformityofforming tolingthrough simulationrepresent efective appoaches toimprove theofcomponentformingqualityandreducecosts.This paper focuses ontheautocalveand proposesaFluid-Thermal-Structuralcoupled simulation modelbasedonlatice Boltzmannmethod.Itstudiesthehigh fidelityphysical modelabstractionandcomputationaldomaindiscretizationoftheautocalve，aswellastheselectionofturbulence models，thermal model，sandthermal-StructuralCoupledmodels.Usingthe experimental autoclaveandtestdata，control groups of simulation models were establishedtoconduct numerical calculations of theheating process considering forming toling，therebyvalidating theFluid-Thermal-Structuralcoupled simulation model.Analysisofflowfieldandtemperature fieldsimulationresultsrevealsthat：the high fidelityphysical modelreproducesairflowreflectionandvortexphenomenaconsistent withactualobservations；Thecoupledmodelissimulatesthermal losses，showinga temperature gradient decreasing form thedoor tothebottomoftheautocalve，withlocalized temperature drops intooling-shieldedareasdue toairflow stagnation；Temperaturediscrepancies between simulatedandactual autoclave processes remain within 10^qC ，while differences between simulated and measured tooling surface temperatures stay below 4 C . The validted model demonstrates good consistency with experimental paterns，proving suitbale foe simulating complex gas flowand heat transferinautoclave processes.Additionally，futureoptimizationandappication direction forthis technology are proposed.

Keywords：helicopter；autocalve； latice Boltzmann； fluid -thermal -structural coupled； forming tooling

1引言

復合材料因其優異的強度重量比、低膨脹系數、耐溫變特性、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性等特性，被廣泛應用于現代航空飛行器結構中。以直升機為例，隨著復合材料結構設計及制造技術不斷成熟，近年來國內外直升機復合材料的使用比例超過50% 。例如，直升機復合材料旋翼槳葉較傳統金屬材料減重 20%-30% 、可承受高頻氣動載荷，其疲勞壽命顯著提高；機身及尾梁結構中，復合材料蒙皮、整流罩、艙罩、框梁及長桁構件等較傳統鋁合金普遍減重 30% 、抗腐蝕性明顯提升，能夠有效延長維護周期[1-3]

熱壓罐成型廣泛應用于航空航天領域高價值復合材料構件的工業化制造中。其高溫高壓的固化環境有利于樹脂與纖維間充分浸潤、排除氣泡，從而達到最佳的粘接狀態，通常復合材料構件的孔隙率可降低至 1% 、顯著提高材料力學性能；通過調節罐內溫度和壓力，能夠控制復合材料固化過程、保持材料性能基本一致，減少內部殘余應力和缺陷，保障質量穩定性。但熱壓罐制造也存在成本高、能耗高、工藝復雜性高等先天性問題。基于工程制造經驗，考慮工藝參數的多層排罐，增加單罐復合材料構件成型數量；摸清熱壓罐氣流運動規律，提高熱氣流利用率、減少加熱時間；優化復合材料成型工藝裝備結構熱均勻性，提高材料固化過程性能一致性等，是緩解熱壓罐工藝固有問題的有效方法[4-8]。

本文旨在提出一種基于格子玻爾茲曼法的高保真熱壓罐流熱固耦合仿真模型，并基于模型開展考慮成型工藝裝備的熱壓罐升溫過程數值計算，分析模型的合理性、適用性，同時提出此項研究的后續優化方向。具體而言，基于格子玻爾茲曼法的離散粒子分布函數描述流體的方式，實現對復雜邊界模擬、多物理場便捷耦合及數值穩定性提高；通過熱壓罐高保真建模，減小以往CFD仿真對熱壓罐結構和熱氣流運動方式的過度簡化；在優化流體模型、湍流模型及熱模型選取下，增加面向工藝裝備熱傳導的熱固耦合模型，從而提高對熱壓罐內氣流運動規律、溫度分布及加熱效率仿真的精確性。

2仿真模型構建及計算分析

2.1 物理模型抽象

2.1. 1 物理模型

熱壓罐主要結構及加熱過程原理如圖1所示，罐封閉圓筒結構包含內壁、外壁，內腔參與對流換熱、外腔具有隔熱功能，熱氣流來源于電熱阻絲及鼓風系統，經電阻絲加熱的空氣或惰性氣體在風機驅動下，到達罐底后反射進人內/外罐壁夾層通風結構，經由夾層通風結構到達罐門，再由罐門反射進入內罐加熱復合材料構件、工藝裝備及輔料。加熱過程中，內部熱傳遞形式主要為熱傳導和熱對流，熱傳遞對象包括罐內壁、復合材料構件、工藝裝備等。

由于熱壓罐系統工作過程十分復雜，通常仿真建模時會進行較為的大幅簡化，即忽略內/外罐壁夾層結構、加熱及鼓風系統，只保留圓柱形內壁加熱通道，罐門及罐底簡化為平面、僅保留氣流進入和流出的功能，認為熱氣流是均勻地從罐門吹向罐尾的。這樣的簡化沒有考慮熱氣流的生成、初始熱氣流遇到罐底的反射、熱氣流經夾層結構過程中速度及溫度的變化、罐門反射及內壁非完全對稱圓柱形狀對氣流走向的影響等，而這些對研究熱壓罐中熱氣流的運動方式、溫度分布及加熱效率有較大影響，因此構建能夠較為真實的描述熱氣流產生、運動及溫度損耗的高保真模型有重要意義[9-1] C

熱壓罐流熱固耦合仿真的高保真模型如圖2所示。將加熱系統及鼓風系統一體簡化為與加熱系統同等尺寸的熱源幾何體，用于模擬熱源氣流產生；分別構建內罐壁、外罐壁，形成夾層通風幾何結構，內罐壁參與熱交換、形狀為截切圓柱，外罐壁絕熱、避免熱量損耗；罐門及罐底為球面形狀，可將氣流反射進入內罐和內/外罐夾層結構中，較為真實的模擬熱壓罐內熱氣流運動；熱壓罐內氣壓由自動控制系統調節，能夠實現缺壓時自動補充、過壓時自動卸壓，基本保持熱壓罐內壓按工藝參數要求變化，因此這里忽略熱壓罐壓力控制裝置的建模。

基于格子玻爾茲曼法強大的幾何兼容性，保留復合材料成型工藝裝備結構的完整原始型面，除檢測幾何封閉性、模型質量外，不做任何簡化處理，最大程度保證成型工藝裝備型面的真實性；為便于后續仿真結果監測及分析，在熱壓罐和工藝裝備結構中創建實時狀態監測點，查看仿真進程、判斷計算合理性。

圖2熱壓罐高保真模型示意圖

2.1.2 計算域離散

格子玻爾茲曼法是基于介觀動力學的數值模擬方法，其核心在于離散化速度和空間，通過粒子分布函數的演變模擬流體運動，避免傳統CFD仿真中網格生成難題，其“格子”體系定義了離散速度和權重系數，如對二維模型通常采用 D₂Q₉ 體系、即三維空間上有19個離散速度方向，三維模型通常采用 D₃Q₁₉ 體系、即在三維空間上有19個離散速度方向。

而對于結構及幾何復雜的熱壓罐三維仿真，模擬高精度熱對流、復雜邊界流動時，采用更為復雜的 D₃Q₂₇ 體系能夠得到較為理想的計算精度。 D₃Q₂₇ 為空間八叉樹格子結構，是三維方案中離散速度的最大數量，其提供了使用非均勻格子結構的可能性，在域的不同位置可以具有不同的空間尺度，因此在建模時通過設置每個幾何模型的格子分辨率及遠場分辨率，將生成逐步細化的初始格子空間，每一層的空間和時間尺度都比前一層降低 50% ，模擬過程中配合自適應局部細化算法，準靜態幾何模型附近的空間還可以自動動態修整。

2.2 計算模型構建

XFLOW軟件是基于格子玻爾茲曼法的新一代CFD仿真軟件，具有較強的工程適用性。其空間八叉樹格子結構可以處理多重解析和自適應優化，湍流建模和近壁處理基于先進的墻建模大渦模擬，能提供高級湍流預測，支持流固耦合、多相流等多種物理過程，可直接模擬對流、熱傳導等現象，碰撞算子策略及并行計算可以提高分析穩定性和效率。近年來，XFLOW軟件已逐步應用于航空航天、船舶、汽車等領域。

熱壓罐流熱固耦合仿真屬于單相連續流體問題，流體與熱交換通過質量、動能及能量守恒方程控制，結合熱壓罐高保真幾何模型外罐壁封閉、絕熱特點，將其定義為內部單相流問題，流體狀態按理想氣體狀態方程，并設置牛頓流體粘度模型，重點探討湍流模型、熱模型及熱固耦合模型的選取，綜合提高仿真精度和計算效率。

2.2.1 湍流模型

在探討熱壓罐內氣體流動規律前，首先應判斷流體的流動狀態，雷諾數是流體力學中的關鍵無量綱參數，常用于區分流體流動狀態，其中， ρ 為流體密度， v 為流體的速度， μ 為流體動力粘性系數，D 為管道的當量直徑、這里指熱壓罐內罐直徑，將空氣相關系數、熱壓罐內罐直徑帶入雷諾數計算公式，計算得到雷諾數值大于4000，則判定熱壓罐內流場為湍流。計算方法如公式（1）所示。

在熱壓罐流熱固耦合仿真中，為更好的模擬流體接觸罐壁和復雜工藝裝備幾何形狀的局部渦流和近壁行為，選用引入附加粘度的大渦模擬進行湍流建模，實現大尺度渦直接解析、小尺度渦通過亞格子模型近似其對大尺度渦的影響。這種壁面自適應局部渦流粘度模型，在壁面附近和遠離壁面的層流和湍流方面都有良好性能，當湍流邊界層可以直接求解時，該模型將恢復湍流邊界面的漸近行為，且不在尾流外的剪切區域添加人為湍流粘度，其中 Δ_f 是濾器尺度， s 是分辨尺度的應變率張量， C_w 常量取0.2。計算方法如公式（2）－公式（6）所示。

Δ_?f=C_?wVol^1/3

2.2.2 熱模型

熱能量傳遞遵循顯性熱焓守恒方程，其中 T 為溫度， ρ 為密度， C_p 為比熱容， k 為導熱系數， τ 為粘性應力張量， v 為速度矢量，分別表示熱通量、粘度項和壓縮作用的影響。計算方法如公式（7）所示。

在以往熱壓罐仿真過程中，對成型工藝進行過等熵的近似簡化處理、采用共軛熱模型，但實際加熱過程中伴隨著持續的外部熱量輸人、與復合材料構件及工藝裝備的熱量交換、罐壁及輔料的能量損耗、復合材料構件不可逆的固化反應等，不符合等熵的絕熱性及可逆性條件，且由于熱壓罐內壓力變化可簡化不計，適宜選用忽略壓縮作用影響的分離式熱模型求解計算，這種熱模型的典型應用場景為自然及強制對流、電子冷去等。

2.2.3 熱固耦合模型

基于高保真熱壓罐模型，要較為全面準確的模擬熱壓罐內流體及固體熱交互過程、精確處理流固界面處熱通量及溫度連續性，應增加熱固耦合模型的設置。熱固耦合模型可以同時考慮固體中熱傳導、流體中熱對流以及兩者間熱交換，適宜熱壓罐內壁、工藝裝備、復合材料構件等溫度變化的模擬，其計算結果較以往單一熱分析交替進行的方式有明顯改善。

2.2.4定解模型構建及參數設置

為定解熱壓罐計算模型，設置三組對照仿真算例，主要考察熱壓罐物理模型抽象、熱模型差異對結果的影響，而經分析選定的熱壓罐流體模型、湍流模型、熱固耦合模型等其余設置一致，對照仿真算例設置如表1所示。

表1對照仿真算例設置

為便于仿真結果與文獻中試驗數據對比，按文獻設置模型參數。熱壓罐內壁徑 2.5m 、有效長度7m ，人口處空氣流速 2.5m/s 、罐內壓強為標準大氣壓，初始溫度為 288K 、氣體以 0.025K/s 的速度升溫；框架式復合材料成型工藝裝備材質為Q235、結構及幾何尺寸均按文獻中數值。

2.3數值計算結果及分析

2.3.1 熱壓罐溫度及流場分布

在熱壓罐中軸線上近似間距取4個監測點，從罐門到罐底依次為點26、點29、點30、點33，對比不同仿真算例2000s以內的熱壓罐溫度值，取值間隔為 50s ，溫度對比如圖3所示。隨著加熱時間的增長，熱壓罐監測點溫度值均呈上升趨勢，但數值小于工藝曲線設置的溫度值，這是由于模型考慮了熱壓罐、工藝裝備等升溫過程對氣流熱量的損耗。在同一時刻，模型3中監測點溫度普遍高于模型1及模型2，模型3溫度與工藝溫度差異在 10% 以內，這是由于模型3的內/外罐壁夾層通風結構，有效限制了熱量的損耗。2000s以內，模型1及模型2溫度值近似，但隨著時間的增長，模型2出現計算不收斂現象，這與熱模型分析過程中，認為共軛熱模型不適用于高保真物理模型形成的非等熵成型過程結論一致。

針對定解模型3，分析熱壓罐內流場及溫度分布。其60s時氣流縱向運動如圖4所示，熱壓罐外形、加熱及鼓風簡化系統實現了熱氣流的產生及運動到罐底的反射，內/外罐壁夾層通風結構及罐門使氣流進罐時形成反射及渦流，受工藝裝備結構通氣性的影響，氣流經過工藝裝備后有明顯的擾動，在裝備背風面也形成渦流，這與熱壓罐內實際氣流規律一致。

仍選取溫度監測點26、點29、點30、點33，其3500秒內溫度對比如圖5所示，取值間隔 100s 。處于加熱系統及鼓風系統附近的點33溫度最高，沿罐門向罐底延伸的點26、點29溫度有所降低，這是熱氣流給罐體加熱后能量損耗造成的，但點26和點29差異不大，這是由于熱氣流尚未通過工藝裝備、沒有進一步的熱損耗，而監測點30溫度下降明顯，3500s時點33和點30的溫差達 18.5‰ ，除了氣流熱量因加熱罐體和工藝裝備損耗外，點30緊貼工藝裝備背風面，氣體流動不暢也可能是造成溫度降低的重要原因。

圖5熱壓罐縱向監測點溫度對比圖

2.3.2工藝裝備溫度分布

考慮到實際制造過程中，工藝裝備的溫度通過其內部、近成型表面區域放置熱電偶監測得到，因此在高保真建模過程中，在成型模板的中性層位置設置溫度監測點。對照仿真算例的工藝裝備縱向監測點1、點3、點5溫度如圖6所示，其中模型3的工藝裝備監測點溫度與表面實測值最為接近，3000s內溫度監測點變化趨勢與試驗實測值一致、但略低于實測值，這種溫度差可能是由于試驗實測方法與高保真建模差異造成的。試驗中熱電偶貼于工藝裝備上表面，而模型中溫度監測點處于成型模板的中性層，熱量在成型模板中的傳導會導致同一時刻仿真結果略低于實測溫度值，3000s時監測點1的溫度差值為 2.75°C 、監測點3的溫度差值為3.87⁹C 、監測點5的溫度差值為 2.04^9C 。

圖6對照仿真算例工藝裝備監測點溫度對比圖

通過上述分析可知，定解模型能夠較好的模擬熱壓罐內氣體復雜流動及多相耦合熱傳遞過程，后續將結合實際制造開展仿真模擬應用，如評估拓撲結構工藝裝備熱性能改善、多套工藝裝備排罐對熱氣流利用率、復合材料成型工藝參數優化等，從而優化成型工藝設計及成型工藝裝備結構設計，降低熱壓罐制造能耗，提高復合材料構建成型質量。此外，將復合材料構件自身固化放熱溫度場引人現有熱壓罐定解模型，也是后續研究的重要方向。

3結語

本文針對熱壓罐工藝，提出高保真建模的格子玻爾茲曼法流熱固耦合仿真模型，對含工藝裝備的熱壓罐升溫過程進行了模擬，并對熱壓罐溫度、流場及工藝裝備溫度進行了分析，得到以下結論：

（1）對熱壓罐進行高保真的物理模型抽象，構建內/外罐壁夾層結構、加熱及鼓風簡化系統等，模擬結果呈現出與實際氣流運動規律一致的反射及渦流現象。（2）基于格子玻爾茲曼法，選取帶有附加粘度的大渦湍流模型、分離式熱模型、熱固耦合模型，能夠模擬出熱壓罐內壁、工藝裝備與熱氣流間的流固耦合熱傳遞，氣流隨著在罐內的縱向運動發生明顯的熱損耗。（3）含工藝裝備的熱壓罐升溫仿真結果表明，熱壓罐、工藝裝備的溫度分布模擬與試驗數據符合性較好，可應用定解模型預測罐內三維溫度分布，量化工藝裝備結構熱均勻性及優化工藝曲線，提高復合材料構件成型質量、實現能源效率最大化。（4）此項技術后續優化方向為增加復合材料構件自身固化放熱溫度場的影響，應用方向為熱壓罐排灌、工藝參數及工藝裝備優化設計。

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